宇宙奇點數學公式（一個特殊的大號教具竟能完美演繹宇宙公理）

2023-10-14 18:51:24

在6月10日直播的《張朝陽的物理課》上，我們注意到了一個大號「教具」－沃爾沃XC90，有著麻省理工物理學博士身份的張朝陽，也是首次將如此特殊的教具帶到課堂之上。那麼，張朝陽的物理課與這臺汽車又有什麼關聯呢？這就要從這節物理課講授的內容說起了。

首先來看「課程表」：量子力學、氫原子的薛丁格方程、宇宙大爆炸……我相信，很多人看到這裡已經打起了退堂鼓，但沒關係，我們保證文章與物理課一樣的深入淺出，我們再拿放大鏡聚焦一下，就能輕易發現二者間的聯繫。

聚焦與聯繫1：探究量子力學與車身材料的安全性

學習過程講究的是從理論到實踐，那麼我們是怎樣從量子力學過渡到車身材料的呢？

首先，宇宙大爆炸理論是說在爆炸之初，物質只能以夸克、膠子、電子、光子和中微子等基本粒子形態存在。宇宙爆炸之後的不斷膨脹，導致溫度和密度很快下降。

隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核、分子，並複合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星雲，星雲進一步形成各種各樣的恆星和星系，最終形成我們如今所看到的宇宙。

在這個過程中，元素通過一定的順序被產生出來，相對較輕的元素產生的過程一般是我們熟悉的核聚變，例如兩個氫原子核通過聚變產生氦原子核；氦原子核聚變產生碳原子核……以此類推。而重元素則可由快、慢中子俘獲產生。不同的元素有不同的原子量以及化學性質，它們被門捷列夫於1869年製成了元素周期表。

這其中，與我們息息相關的是鐵元素，可以說這個元素貫穿了人類發展的始終。古人冶鐵煉鐵，生產出鐵質工具，提高了社會生產力；現代人類則通過在鐵中加入不同的材料配比來製作不同種類、不同用途的鋼材，用於生產建設。

宇宙演化的過程為人類提供了各種不同性質的元素，而人類則可通過組合不同的元素，來生產新的材料。沃爾沃XC90的車身，就能最貼切地用於具象化描述這一現象。

沃爾沃XC90的車身採用「硼鋼」製成，這裡有兩種不同材料：硼和鋼。鋼我們熟悉，鐵元素和碳元素以一定比例混合，含碳量為0.03%～2%為鋼；含碳量2%～4.3%的為生鐵。

張朝陽在物理課上講到，金屬的塑性形變是通過位錯的運動來進行的，碳原子的加入會阻礙位錯的運動，從而阻礙金屬的塑性形變，強度就會提升。

雖然含碳量更高的生鐵比鋼更硬，但生鐵脆不能鍛壓，需要尋求其它提高鋼材料強度的辦法，在鋼中加入硼元素就能達到此目的。 硼元素與碳原子造成的固溶強化不同，它是通過提高鋼材的淬透性，讓淬火更加深入從而提升材料強度，高強度的硼鋼這種材料就應運而生。

硼鋼是在普通鋼材加熱到950°時加入硼元素，添加後一次快速冷卻成型。其硬度是普通鋼材的4倍，而且強度、韌性和耐磨性也都優於普通鋼材。

早期的軍用車輛都是用它，直到後來有更輕、更堅固的材料出現，於是硼鋼就被轉為民用，現在被廣泛運用在工具機的刀頭，每平方釐米可以承受超過15噸以上的重量。

而沃爾沃XC90就是在車身用料中大量採用了這種硼鋼材料，使用量接近40%，每一平方釐米就能承受住兩頭成年大象的壓力，這就為每一個駕乘者提供了強大的安全保障。

沃爾沃，是首個運用硼鋼作為車身、底盤材料的製造商，1944年，沃爾沃還首創籠式安全車身，搭載車型PV444，被稱為「駕乘安全艙」。

通過籠式框架型結構將碰撞力傳遞分解到整個車身，避免局部受力過大引起結構性破壞，在遇到強烈碰撞時，通過整個車身快速吸收碰撞的能量，使得衝擊力迅速分解消耗掉，最大限度保護駕乘人員安全。這使得XC90系列創造了連續14年駕乘人員無死亡的記錄。

近年來汽車行業競爭激烈，各種「新勢力造車」如雨後春筍般崛起，諸多汽車品牌都會考慮通過降本減配的方式提高利潤，但沃爾沃始終堅持品質不變，一路追求極致的「安全與健康」，不管是在看得見的地方，還是看不見的地方都不遺餘力地守護著每個生命的安全，初心不改，堅信「唯愛與生命不能辜負」。

除了前面講到的硼鋼車身架構之外，其實沃爾沃還為駕乘者配備了諸如全系標配的City Safety城市安全系統、標配7氣囊、預緊式安全帶、WHPS頭頸保護等輔助安全設定/系統，滴水不漏的安全理念設計，讓其在2017年、2021年均獲得了有著世界上最嚴苛標準的IIHS（美國公路保險協會）「Top Safety Pick」（最高安全選擇獎）的認證。

之所以說IIHS的標準最為嚴苛，是因為他們有著被各大製造商視為「眼中釘」的25%小重疊面積碰撞實驗。我們已知撞擊力一定的情況下，撞擊面積越小，壓強就越大，對車身材料強度的要求也呈指數上升。而沃爾沃所採用的硼鋼 籠式車身，以遠超IIHS嚴苛要求的標準，最大限度地保證了車身不變形。

聚焦與聯繫2：探究量子力學與車內材料的選用

通過物理課上一部分對硼鋼的講解，我們已經知道，微觀原子、分子的不同排布方式決定著宏觀材料展現出什麼樣的性質。這個性質包括物理性質與化學性質。比如前面提到的強度、韌性、觸感，甚至顏色與揮發出的氣味。

在這裡，我們的教具——沃爾沃XC90再次出場，因為在車內材料無異味上，恐怕沒有任何一家汽車廠商可出其右。

沃爾沃的選材標準圍繞兩個「低」：低揮發與低汙染。其中低汙染遵循的標準高於國家《乘用車內空氣品質評價指南》1500倍；低揮發則代表沃爾沃在車內使用的多是水溶性材料，而非揮發性強、對人體有害的傳統油性材料。

車內阻尼材料曾經慣用瀝青，它可以緩解車身震動、降低噪音。但瀝青本身含有很多對人體有害的物質，它在車裡時間久了會揮發出來，甚至會致癌。

我們聽說過某些汽車品牌阻尼材料致癌的案例，其原因就是採用了瀝青用作車身阻尼材料。沃爾沃為了避免這類情況，在座艙採用可噴塗阻尼材料（SSD）和丁基橡膠替代傳統的瀝青阻尼板，達到隔音降噪效果的同時也使得車內有害物質含量接近於0。

特定材料的分子通過揮發，經由人的嗅覺傳遞給大腦。每一輛沃爾沃的座艙用料，都通過了「鼻子小組」（Nose Team）以嗅覺的方式進行檢驗。

「鼻子小組」由8人構成，以敏銳的嗅覺用從1到6的級數來評鑑車內材質散發的氣味，每項檢測結果總和不能超過3，以確保座艙氣味舒適宜人。

聚焦與聯繫3：量子力學相關推導——控制車內空氣的關鍵

我們通過運用量子力學的方法進行分析，就可以進一步研究分子級別的問題，比如：空氣品質。

研究座艙內的空氣品質，想必還是我們的沃爾沃XC90最具有發言權。抓住空氣流動的本質規律，才能有的放矢地去淨化它。沃爾沃XC90在車內採用了四種「純淨座艙淨化技術」：CZIS主動式座艙淨化系統、AQI空氣品質實時監測系統、IAQS智能空氣循環控制系統以及AAC雙效增強空氣淨化系統。

其中處於核心的，是沃爾沃配備的AAC雙效增強空氣淨化系統，通過活性炭濾芯與靜電捕捉兩種方式來吸收空氣內的雜質。而負責指揮其工作的，是IAQS智能空氣循環控制系統，它能通過傳感器，監測，識別到有害氣體，自動切換空氣內外循環模式，防止車內有害物質濃度的提高。

雙效空氣淨化系統由活性炭濾芯和負離子發生器共同組成，其中濾芯對PM2.5的過濾效率達到95%，半徑更小的顆粒物比如PM0.1也可有效過濾。負離子發生器則讓顆粒物帶上負電荷，讓後者更易被帶正電荷的濾芯捕捉。

用耐心與篤定為你準備了這節精彩的物理課堂

在現實生活中，我們其實每時每刻都在使用著現代物理學的成果，儘管你可能並不知曉這其中的奧秘，但在張朝陽的物理課上，你可以通過最簡單的生活常識一步步探究物理知識的神秘海洋。

同樣，沃爾沃汽車XC90在製造過程中其實也利用了諸多複雜的物理原理，你平時也許對它毫不在意，但通過這節絕妙的物理課，你會發現原來沃爾沃已將它們化為安全健康所用，無時無刻不圍繞在你的身邊，全方位地守護著你和你愛的人。